Chiralität ist eine grundlegende Eigenschaft von Materie, die viele biologische, chemische und physikalische Phänomene bestimmt. Chirale Feststoffe bieten beispielsweise aufregende Möglichkeiten für Katalyse, Erfassungs- und optische Geräte, indem sie einzigartige Wechselwirkungen mit chiralen Molekülen und polarisiertem Licht ermöglichen. Diese Eigenschaften werden jedoch festgestellt, wenn das Material angebaut wird, dh die linken und rechtshändigen Enantiomere können nicht ohne Schmelzen und Rekristallisierung ineinander umgewandelt werden.
Forscher des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik von Materie (MPSD) und der Universität von Oxford haben gezeigt, dass Terahertz-Licht Chiralität in einem nichtchiralen Kristall induzieren kann, was es entweder links- oder rechtshändige Enantiomere ermöglichen, auf Demand zu entstehen. Der Befund, berichtet in WissenschaftEröffnet aufregende Möglichkeiten zur Erforschung neuartiger Nichtgleichgewichtsphänomene in komplexen Materialien.
Chiralität bezieht sich auf Objekte, die durch eine Kombination von Rotationen oder Übersetzungen ihren Spiegelbildern nicht überlagert werden können, ähnlich wie die unterschiedlichen linken und rechten Hände eines Menschen. In chiralen Kristallen verleiht die räumliche Anordnung von Atomen eine spezifische „Händigkeit“, die beispielsweise ihre optischen und elektrischen Eigenschaften beeinflusst.
Das Team von Hamburg-Oxford konzentrierte sich auf sogenannte antiferro-chirale, eine Art nichtchirale Kristalle, die an antiferro-magnetische Materialien erinnern, in denen magnetische Momente in einem gestaffelten Muster zu einer verschwundenen Netto-Magnetisierung führen. Ein antiferro-chiraler Kristall besteht aus äquivalenten Mengen an linken und rechtshändigen Substrukturen in einer Einheitszelle, wodurch sie insgesamt nicht chiral gemacht wird.
Das von Andrea Cavalleri angeführte Forschungsteam verwendete Terahertz Light, um dieses Gleichgewicht im nichtchiralen Material Borphosphat (BPO) zu heben4) Auf diese Weise induzieren endliche Chiralität auf ultraschnellem Zeitmaßstab. „Wir nutzen einen Mechanismus, der als nichtlineare Phononik bezeichnet wird“, sagt Zhiyang Zeng, führender Autor dieser Arbeit. „Indem wir einen spezifischen Terahertz -Frequenzschwingungsmodus anregen, der das Kristallgitter entlang der Koordinaten anderer Modi im Material verdrängt, haben wir einen chiralen Zustand erstellt, der für mehrere Pikosekunden überlebt“, fügte er hinzu. „Durch das Drehen der Polarisation des Terahertz-Lichts um 90 Grad konnten wir selektiv eine links- oder rechtshändige chirale Struktur induzieren“, fährt der Autor Michael Först fort.
„Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die dynamische Kontrolle der Materie auf atomarer Ebene“, sagt Andrea Cavalleri, Gruppenleiter bei der MPSD. „Wir freuen uns, potenzielle Anwendungen dieser Technologie zu sehen und wie sie verwendet werden kann, um einzigartige Funktionen zu erstellen. Die Fähigkeit, Chiralität in nichtchiralen Materialien zu induzieren, kann zu neuen Anwendungen in ultraschnellen Speichergeräten oder sogar ausgefeilteren optoelektronischen Plattformen führen.“
Diese Arbeit erhielt finanzielle Unterstützung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft über den Cluster der Exzellenz ‚CUI: Advanced Imaging of Matery‘. Das MPSD ist Mitglied des Zentrums für freie Elektronenlaserwissenschaft (CFEL), ein gemeinsames Unternehmen mit Desy und der University of Hamburg.
